東工大、半導体中を秒速8万mで動きまわる電子を撮影

東京工業大学(東工大)は2月27日、半導体中を秒速8万mで流れる電子を直接観察し、動画撮影することに成功したと発表した。

同成果は、同大大学院 理工学研究科の福本恵紀産学官連携研究員、恩田健流動研究員、腰原伸也教授らによるもの。詳細は、「Applied Physics Letters」オンライン版に掲載された。

半導体材料を利用しているデバイスの動作性能は、半導体中を動き回る電荷キャリア(電子と正孔)の動きやすさに依存している。半導体素子は微小化、高速化し続けているが、その特性を、直接素子内部を動く電流、特に電子を観測することにより、評価する手法は存在しなかった。そこで、研究グループでは、ガリウムヒ素半導体中の20nmスケールの空間領域を移動するキャリアの流れを200fs間隔で可視化できる時間分解光電子顕微鏡を開発した。

高速動作する半導体デバイス内での電子の流れ(電流)を検出するには、100fs程度の極短時間幅のパルス電流を生成、注入して、とらえる必要がある。今回の研究では、約100fs幅のレーザパルスを半導体に照射して、光キャリアを生成した。

これを図1(a)のように、半導体表面に蒸着した2枚の金属電極間に電圧を印加することで動かした。その動く様子を別のレーザパルス(検出光)を半導体試料に照射し、励起電子の密度に由来する光電子放出強度を光電子顕微鏡で撮影した。励起光と検出光の時間的タイミングを変化させていくことで(ポンプ-プローブ法)、電子の移動過程が動画としてストロボ撮影できる。

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図1 時間分解光電子顕微鏡による電子移動の動画撮影。(a)測定手法の概略。(b)と(c)励起光照射後20psおよび40ps後の光電子顕微鏡像。(d)と(e)は(b)と(c)の中央付近の拡大図。(f)は(d)と(e)の縦方向の強度プロファイルにより、電子の移動が確認できる

（続く）